自动化集装箱码头AGV防撞技术

上海国际港务(集团)股份有限公司尚东集装箱码头分公司

1 引言

洋山深水港四期自动化码头是目前最大的自动化集装箱码头，AGV(Automated Guided Vehicle，自动导引车)取代传统集卡成为码头主要的水平运输设备[1]，AGV在VMS(Vehicle Management System，车队调度系统)的调度下，自动按照既定的运行轨迹行驶，完成集装箱的中转任务。在自动化码头中，AGV动作频繁、工况复杂，需要与岸桥、场桥进行大量的交互作业。为了避免与码头上其他的设备设施发生碰撞，AGV自身的防撞技术显得格外重要，不仅要确保AGV在运行过程中的安全，也要确保在不同交互工况下各类设备及人员的安全[2]。目前，主要的单机保护措施有激光器保护、超声波传感器保护、机械防撞保护3种模式。

洋山深水港四期码头地理环境较复杂，湿度、盐雾较大，整体自然环境相对较差，对各类传感器精度影响很大。无论是激光器还是超声波传感器，在雨天雾天可能会误报故障；表面灰尘杂物、设备安装精度、码头作业震动等因素也会影响设备的正常工作，因此需要构建完善的防撞系统，保障作业安全。

2 主要防撞技术

2.1 单机保护措施

(1)激光器保护

激光防撞传感器安装时中心位置距离地面0.916 m，且处在水平位置，可以扫描-5°～185°的一个平面，扫描距离0.7 ～80 m(见图1)。采用成熟的激光-时间飞行原理及多重回波技术，可扫描某一区域，并根据区域内各个点与扫描仪的相对位置，返回其测量值。激光防撞传感器测量数据为极坐标形式，返回的为测量物体与传感器的相对距离及角度。通常情况下，激光防撞传感器感应到障碍物对应在7.5 m处减速，在1.5 m处停车。

激光器对设备安装精度要求较高，若固定螺丝松动会对其测量精度造成影响。在顶升支架区域内，反光板的安装精度要求也比较高，且激光反光板表面可能会因有吊具落下的油污等对激光器造成影响，因此也要按时清洁，保养任务比较繁杂。

(2)超声波传感器保护

超声波保护是在AGV在顶升支架区域内特有的保护。超声波传感器会检测前方一段距离内是否有障碍物，若支架上本身已有集装箱而系统调度AGV带载进入支架时，超声波传感器将检测到支架上的障碍物，控制器根据超声波传感器的返回值发出AGV急停指令，使AGV紧急停车，从而起到保护作用。

图1 激光测距仪扫描面积

(3)机械防撞保护

保险杠作为最基本的保护措施，是AGV最后一道防线，当保险杠受到外力时，常感应限位脱开，AGV车轮抱闸停车。

2.2 系统保护

AGV车队由VMS统一调度，VMS在接受TOS(Terminal Operation System，码头管理系统)发出的任务后规划路径，发送指令给AGV，AGV利用安装于车辆前后的导航天线识别埋在码头地面下的磁钉，从而获取当前位置，并结合AGV起始位置、当前车辆速度以及行驶方向等，计算当前姿态并将数据反馈给VMS，由VMS生成锁闭区。锁闭区分为自身锁闭区(Self)、已申请锁闭区(Claim)以及尝试申请锁闭区(Try Lock)3类。Self区包含了车体自身的区域，需保证任何工况下的车体覆盖；Claim区对应当前AGV已经独占的锁闭区；Try Lock区对应当前尝试申请的锁闭区。

带载的AGV质量较大，相同速度下惯性较大，所以针对不同的工况，系统对AGV的速度做出了限制(见表1)。

表1 AGV工况对应表

3 不同工况下的防撞技术应用

3.1 AGV的基本运行状态

根据AGV的运行状态，激光保护分为直行保护、斜行保护、转弯保护3种主要类型。激光保护基于多边形区域的障碍物检测，多边形区域的选择以AGV完成相关运行动作时，AGV车身外轮廓形成的包络线为原型。考虑到AGV运行中存在的位置误差以及激光器的探测误差，对轮廓包络线进行调整，可以提前检测到AGV运行路径上出现的障碍物，并根据车速、载重等信息，计算可控停车和紧急停车的临界距离。

3.2 AGV的工作环境

(1)码头前方作业区

AGV水平运输作业区布置在岸桥陆侧轨后，由装卸区、缓冲区和行驶区3个功能区组成[3](见图2)。

装卸区位于岸桥后伸距下方，装卸车道为单向布置，采用1台岸桥对应多条装卸车道的作业方式。

结合岸桥的吊具形式，装卸区的车道数定为7条，其中4条为装卸车道，3条为穿越车道。AGV在装卸区完成装卸后穿越车道转弯进入缓冲区，然后根据控制系统指令进入相应的行驶车道和指定箱区。行驶区车道采用双向布置，设6条车道，双向各3条车道(见图3)。

图2 码头前方作业区

图3 AGV在码头生产区的锁闭形式

(2)自动化堆场交互区

AGV进入支架采用线性拟合及距离防撞法[4]。AGV 在支架区域的运动过程中，前后2 个180°防撞传感器可以探测到预先安装在支架侧边的防撞板。防撞传感器实时采集防撞板有效范围内的数据，并对数据进行干扰滤波后，利用线性拟合的方法求取防撞板在传感器坐标系中的直线方程。通过计算AGV 轮廓的4 个顶点到防撞板直线方程的距离，判断AGV 是否离支架太近，若太近，将触发安全模块，使AGV停车，从而避免碰撞事故的发生。

在AGV进入支架过程中，避障系统使用SICK数据，构建矩形区域，实时检测是否有障碍物在支架内部，将AGV 防撞包围盒实时投影到码头磁钉坐标系中,比较AGV 防撞包围盒与缓冲支架防撞包围盒两者之间是否存在重叠。若2个包围盒出现重叠部分，代表AGV 与缓冲支架距离太近，将会触发防撞安全控制器。

4 结语

尽管AGV防撞保护使用了多种技术和措施，但仍然存在部分盲区，如车身中间两侧等区域，因此在自动化区域内仍要尽可能地保持AGV作业环境良好，避免其在运行过程中受到影响，造成部件损坏。